“All Hell Shatters” – un trilionesimo di secondo prima dell’espansione Big Bang (funzionalità del fine settimana)

Riscaldare È stato un periodo pazzesco, in cui tutto è andato bene”. David KaiserGermeshausen Professore di Storia della Scienza e Professore di Fisica al Massachusetts Institute of Technology. Come dice la teoria del Big Bang, Con, da qualche parte circa 13,8 miliardi di anni fa, esplose sotto forma di una minuscola e compatta palla di fuoco di materia che si raffreddò mentre si espandeva, innescando reazioni che diedero origine alle prime stelle, galassie e tutte le forme di materia che vediamo (e sono) Oggi.

Quattro fasi del Big Bang

Ci sono state quattro fasi principali dell’era del Big Bang: (1) l’inizio dell’universo come individuo nello spazio e nel tempo, (2) un periodo di inflazione cosmica in cui l’universo è cresciuto e si è raffreddato in modo esponenziale e (3) un episodio di riscaldamento. , che dura solo un trilionesimo di secondo, mentre l’energia potenziale decade dall’inflazione a tutte le particelle elementari della fisica, e infine (4) l’espansione naturale dell’universo in cui i quark si combinano in protoni e neutroni e le quattro forze fondamentali della fisica si separano nei loro forme distinte.

“Mostriamo che il materiale stava reagendo fortemente in quel momento [of reheating] Che a sua volta possa anche rilassarsi rapidamente”, ha continuato Kaiser, “preparando magnificamente il terreno per il Big Bang”. Non sapevamo che fosse così, ma questo è ciò che emerge da questa simulazione, il tutto con fisica nota. Questa è la cosa eccitante per noi”.

“tutto crolla”

Prima che il Big Bang lanciasse l’universo sulla sua traiettoria in continua espansione, i fisici credevano che ci fosse un’altra fase più esplosiva dell’universo primordiale: l’inflazione cosmica. Durante questo periodo, la materia – una sostanza viscosa fredda e omogenea – si è gonfiata in modo esponenziale rapidamente prima che i processi del Big Bang iniziassero a espandersi lentamente e diversificare l’universo infantile.

Osservazioni recenti hanno supportato indipendentemente le teorie sia del Big Bang che dell’inflazione cosmica. Ma i due processi sono così radicalmente diversi l’uno dall’altro che gli scienziati hanno faticato a visualizzare come uno segue l’altro.

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Ora, i fisici del MIT, del Kenyon College e altrove hanno simulazioni dettagliate di uno stadio intermedio dell’universo primordiale che potrebbe aver collegato l’inflazione cosmica al Big Bang. Questa fase, nota come riscaldamento, si è verificata alla fine dell’inflazione cosmica e ha coinvolto i processi della materia fredda e uniforme che spingeva per l’inflazione nella zuppa surriscaldata e complessa che esisteva all’inizio del Big Bang.

Modalità “Bang” nel Big Bang

“Il periodo di riscaldamento dopo l’inflazione crea le condizioni per il Big Bang, e in un certo senso mette l'”esplosione” nel Big Bang”, dice Kaiser. “È il periodo del bridge in cui si scatena l’inferno e la materia si comporta in modo tutt’altro che piccolo.”

In una lettera a Galassia quotidianaCesare ha dichiarato,Il modello del Big Bang è stato una guida di notevole successo per aiutare astronomi, fisici e cosmologi a comprendere il comportamento e l’evoluzione del nostro universo in un periodo di circa 14 miliardi di anni. Tuttavia, lo stesso modello del Big Bang si basa su diverse ipotesi, in particolare sulle condizioni iniziali nella prima evoluzione dell’universo. La più importante di queste ipotesi è che in tempi molto antichi l’universo fosse pieno di materia che avrebbe potuto formare nuclei e successivamente atomi. che le particelle avevano un’energia media così alta da comportarsi come radiazioni; E che la materia che riempie l’universo era in equilibrio termico.

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Era del riscaldamento

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Ha continuato, “L’epoca del riscaldamento, immediatamente dopo la fine dell’inflazione cosmica, è un breve periodo durante il quale tutte e tre queste condizioni possono essere soddisfatte. I tipi di materia che hanno guidato l’inflazione decadono rapidamente in altre forme di materia, comprese le particelle elementari di il Modello Standard della fisica delle particelle, che consiste di materia ordinaria, e forse anche di particelle che si comportano come materia oscura. Il trasferimento violento e rapido di energia dalla materia che guida l’inflazione si traduce in particelle risultanti dal decadimento che tendono ad avere energie molto elevate – molto più alte delle masse delle particelle – quindi le particelle prodotte si comportano proprio come radiazioni E così tante di queste nuove particelle vengono prodotte così rapidamente che si disperdono rapidamente l’una dall’altra, in modo che l’intero gruppo raggiunga rapidamente l’equilibrio termico alla temperatura elevata appropriata .”

Kaiser e colleghi hanno effettuato simulazioni dettagliate di come più forme di materia interagiscono durante questo periodo caotico alla fine dell’inflazione. Le loro simulazioni mostrano che l’energia massima che ha portato all’inflazione avrebbe potuto essere ridistribuita altrettanto rapidamente, in una frazione di secondo, e in un modo che avrebbe prodotto le condizioni che sarebbero state necessarie per avviare il Big Bang.

Il team ha scoperto che questa trasformazione estrema sarebbe stata più veloce ed efficiente se gli effetti quantistici avessero modificato il modo in cui la materia risponde alla gravità a energie molto elevate, un allontanamento dal modo in cui la teoria della relatività generale di Einstein prevede che materia e gravità dovrebbero interagire.

Storia ininterrotta

“Questo ci consente di raccontare una storia in corso, dall’inflazione al periodo post-inflazione, al Big Bang e oltre”, afferma Kaiser. “Possiamo tracciare una serie continua di processi, tutti utilizzando la fisica nota, per dire che questo è un modo plausibile in cui l’universo è arrivato ad apparire come lo vediamo oggi”.

I risultati del team sono apparsi su Physical Review Letters. I coautori di Kaiser sono l’autore principale Rachel Nguyen e John T Giblin, entrambi del Kenyon College, e l’ex studente laureato del MIT Evangelos Sfakianakis e Yorende van de Wis, entrambi dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi.

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La teoria dell’inflazione cosmica, proposta per la prima volta negli anni ’80 da Alan Guth, professore di fisica al Massachusetts Institute of Technology, prevede che l’universo sia iniziato come un piccolissimo atomo di materia, forse circa cento miliardi delle dimensioni di un protone. Questo punto era riempito con una sostanza superenergetica, così energica che le pressioni al suo interno generavano una forza gravitazionale repulsiva – la forza trainante dietro l’inflazione. Come una scintilla di fusione, questa forza gravitazionale ha fatto esplodere l’universo infantile verso l’esterno, a un ritmo sempre più veloce, gonfiandolo a quasi otto milioni di volte la sua dimensione originale (che è il numero 1 seguito da 26 zeri), in meno di un trilionesimo di secondo.

“Le prime fasi del riscaldamento dovrebbero essere caratterizzate da echi. Domina una singola forma di materiale ad alta energia, che vibra avanti e indietro in sincronia con se stesso attraverso vaste aree dello spazio, causando la produzione esplosiva di nuove particelle”, afferma Kaiser.

Aggiunge: “Questo comportamento non durerà per sempre, e una volta che inizierà a trasferire energia a una seconda forma di materia, le sue stesse fluttuazioni diventeranno più discontinue e irregolari nello spazio. Volevamo misurare quanto tempo ci vorrebbe per questa risonanza effetto di disintegrarsi, disperdendo le particelle prodotte l’una dall’altra.” E raggiunge una sorta di equilibrio termico, che ricorda le condizioni del Big Bang.”

Fisica estremamente non lineare

Nella sua e-mail a Galassia quotidianaKaiser scrive: “La maggior parte di queste interazioni fisiche durante il riscaldamento coinvolge una fisica altamente non lineare e quindi per capire come effettivamente progrediscono, dobbiamo utilizzare complesse simulazioni numeriche. Utilizzando le nostre ultime simulazioni, io e i miei colleghi siamo stati in grado di dimostrare che questi tre risultati distinti – La produzione di una zuppa densa e calda da prodotti di decadimento che agiscono come radiazioni e si trasformano in una rapida temperatura – può avvenire seguendo semplici modelli di gonfiaggio, senza la necessità di introdurre componenti aggiuntivi nel modello. È stato molto emozionante vedere come efficientemente potrebbe dispiegarsi nuovamente, fornendo un ponte tra l’era inflazionistica e le condizioni più comuni del big bang.

Le simulazioni al computer del team hanno rappresentato una grande rete su cui hanno mappato molteplici forme di materia e hanno tracciato come la loro energia e distribuzione sono cambiate nello spazio e nel tempo mentre gli scienziati hanno cambiato determinate condizioni. Le condizioni iniziali della simulazione erano basate su un modello inflazionistico specifico, un insieme di previsioni su come si sarebbe comportata la distribuzione della materia nell’universo primordiale durante l’inflazione cosmica.

Gli scienziati hanno scelto questo particolare modello di inflazione rispetto ad altri perché le sue previsioni corrispondevano strettamente alle misurazioni ad alta risoluzione del fondo cosmico a microonde: un bagliore residuo di radiazioni emesse appena 380.000 anni dopo il Big Bang, che si pensa contenga tracce del periodo inflazionistico.

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Le simulazioni hanno tracciato il comportamento di due tipi di materia che potrebbero aver predominato durante l’inflazione, molto simile a un tipo di particella, il bosone di Higgs, recentemente osservato in altri esperimenti.

Prima di eseguire le simulazioni, il team ha aggiunto un piccolo “ritocco” alla descrizione della gravità del modello. Mentre la materia ordinaria che vediamo oggi risponde alla gravità come previsto da Einstein nella sua teoria della relatività generale, la materia a energie molto più elevate, come quella che si ritiene sia stata presente durante l’inflazione cosmica, dovrebbe comportarsi in modo leggermente diverso, interagendo con la gravità in modi che sono Quantum meccanicamente modificati, o interazioni a livello atomico.

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Nella teoria della relatività generale di Einstein, la forza di gravità è rappresentata come una costante, con quello che i fisici chiamano un accoppiamento minimo, il che significa che non importa quale sia l’energia di una particolare particella, risponderà alle influenze gravitazionali con una forza determinata da una costante universale.

Tuttavia, alle altissime energie previste nell’inflazione cosmica, la materia interagisce con la gravità in un modo leggermente più complesso. Gli effetti della meccanica quantistica prevedono che la forza di gravità può variare nello spazio e nel tempo quando interagisce con una sostanza ad altissima energia, un fenomeno noto come accoppiamento non inferiore.

Kaiser e colleghi hanno incorporato il termine accoppiamento infinito nel loro modello inflazionistico e hanno osservato come la distribuzione di materia ed energia cambiasse quando spostavano questo effetto quantistico verso l’alto o verso il basso.

Alla fine, hanno scoperto che più forte è l’effetto della gravità quantistica media nell’influenzare la materia, più velocemente l’universo è passato dalla materia fredda e omogenea nell’inflazione alle diverse e più calde forme di materia caratteristiche del Big Bang.

Mettendo a punto questo effetto quantistico, possono far sì che questa transizione cruciale avvenga su 2 o 3 “piegature elettroniche”, riferendosi alla quantità di tempo che impiega l’universo (approssimativamente) per triplicare. In questo caso, sono stati in grado di simulare una fase di riscaldamento entro il tempo necessario all’universo per triplicare le dimensioni da due a tre volte. In confronto, la stessa inflazione si è verificata su un arco elettronico di 60 volte.

Galassia quotidiana, Maxwell Moastrofisico Fellow della NASA Einstein, Università dell’Arizona via David Kaiser E il Con

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